DE102021102803B4 - Device and method for converting low-temperature heat into technically usable energy - Google Patents
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Abstract
Energiewandler (21) zur isentropen Umwandlung der thermischen Energie eines unter Druck stehenden, durch Kontakt mit einer Wärmequelle erwärmten flüssigen Arbeitsmittel (52) in potentielle Energie unter Realisierung einer teilweisen Entspannungsverdampfung nach dem TLC2-Prozess gekennzeichnet durch mindestens die Bestandteile:
• Ein geschlossenes, thermisch isoliertes, aufwärts gerichtetes Rohrsystem mit einem Aufstiegsrohr (130) und einem Abstiegsrohr (160), verbunden durch Rohrbögen (110, 140)
• Eine Anzahl von mindestens 10 in dem geschlossenen Rohrsystem frei umlaufenden Kolben (170)
• Die Rohre zur Führung der Kolben (170) sind mit einer gut gleitfähigen thermischen Innenisolation wie z.B. PTFE oder Polyamid (PA) versehen
• Die Kolben (170) sind an den Dichtflächen mit einem zum Material der Innenisolation des Rohres passenden Dichtungs- und Gleitmaterial versehen, das sowohl eine Abdichtung der Bereiche als auch eine thermische Isolation gewährleistet
• Einbringöffnungen und einer Einbringvorrichtung (121) auf dem unteren Niveau des Rohrsystems zum Einbringen eines durch Kontakt mit einer Wärmequelle erwärmten Arbeitsmittels (52) in einen Arbeitsbereich (AB) zwischen zwei Kolben (170)
• Auslassöffnungen im Mantel des Rohres auf dem oberen Niveau zum Auslassen des flüssig verbliebenen (51) und des verdampften (54) Arbeitsmittels aus dem Rohrsystem
• Einer Separierungsvorrichtung (150) zum Trennen des verdampften Arbeitsmittels (54) von dem flüssig gebliebenen, kalten Arbeitsmittel (51).
Energy converter (21) for the isentropic conversion of the thermal energy of a liquid working medium (52) under pressure and heated by contact with a heat source into potential energy by realising a partial flash evaporation according to the TLC2 process, characterised by at least the following components:
• A closed, thermally insulated, upward pipe system with an ascent pipe (130) and a descent pipe (160), connected by pipe bends (110, 140)
• A number of at least 10 pistons (170) rotating freely in the closed pipe system
• The tubes for guiding the pistons (170) are provided with a good sliding thermal internal insulation such as PTFE or polyamide (PA)
• The pistons (170) are provided with a sealing and sliding material on the sealing surfaces that matches the material of the inner insulation of the pipe, which ensures both sealing of the areas and thermal insulation
• Introduction openings and an introduction device (121) at the lower level of the pipe system for introducing a working medium (52) heated by contact with a heat source into a working area (AB) between two pistons (170)
• Outlet openings in the casing of the pipe at the upper level for discharging the remaining liquid (51) and the vaporized (54) working fluid from the pipe system
• A separation device (150) for separating the evaporated working medium (54) from the liquid, cold working medium (51).
Description
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Umwandlung von Niedertemperaturwärme mit einer Temperatur von maximal 200°C in technisch nutzbare mechanische Energie und nachfolgend elektrische Energie.The invention relates to devices and methods for converting low-temperature heat with a maximum temperature of 200°C into technically usable mechanical energy and subsequently electrical energy.
Stand der TechnikState of the art
Aufgrund der geringen Temperaturdifferenz von Niedertemperaturwärmequellen zu möglichen Wärmesenken wie Wasser oder Umgebungsluft und des daraus resultierenden niedrigen theoretischen Wirkungsgrades ist die möglichst vollständige Ausnutzung der theoretisch nutzbaren thermischen Energie wünschenswert. Möglich wird dies durch Realisierung eines Trilateral-Cycle (TLC-) Prozesses nach Smith (
Im TLC-Prozess nach Smith (siehe
- - Isochore Druckerhöhung (Pkt. 1 - Pkt. 2)
- - Isobare Wärmezufuhr ohne Verdampfung des Arbeitsmittels (Pkt. 2 - Pkt. 3)
- - Isentrope Entspannungsverdampfung bei kontinuierlicher Druckverringerung mit gleichzeitiger Volumenvergrößerung und Verrichten von Volumenarbeit (Pkt. 3 - Pkt. 5)
- - Isobare Wärmeabfuhr und Kondensation des verdampften Anteils des Arbeitsmittels (Pkt. 5 - Pkt. 1)
- - Isochoric pressure increase (point 1 - point 2)
- - Isobaric heat supply without evaporation of the working fluid (point 2 - point 3)
- - Isentropic flash evaporation with continuous pressure reduction with simultaneous volume increase and performance of volume work (points 3 - 5)
- - Isobaric heat removal and condensation of the evaporated portion of the working fluid (point 5 - point 1)
Der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist in
Die technische Herausforderung des TLC-Prozesses liegt in der Umsetzung der Teilverdampfung als erzwungene Entspannungsverdampfung mit einer senkrecht fallenden Verdampfungskurve (siehe
Das kontinuierliche, gleichzeitige und räumliche Nebeneinander von:
- • Reduktion des Arbeitsdruckes zur Initiierung der Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels
- • Volumenvergrößerung durch die Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels
- • Verrichten von Expansionsarbeit durch den entstehenden Dampf des Arbeitsmittel
- • im Nassdampfgebiet des Arbeitsmittels mit einem hohen Flüssigkeitsanteil
- • Reduction of the working pressure to initiate the flash evaporation of the working fluid
- • Volume increase due to the flash evaporation of the working fluid
- • Carrying out expansion work through the steam generated by the working medium
- • in the wet steam area of the working fluid with a high liquid content
Bekannt sind verschiedene Vorrichtungen zur Umsetzung der Entspannungsverdampfung eines TLC-Prozesses:
- •
benennt RotationsmaschinenUS 3 169 375 A - •
benennt Screw- und VaneexpanderUS 4 557 112 A - •
undUS 7 093 503 B1 nennen TurbinensystemeDE 10 2007 041 457 A1 - •
verweist auf KolbenmaschinenWO 2007/ 115 769 A2
- •
names rotary machinesUS 3 169 375 A - •
names screw and vane expandersUS 4 557 112 A - •
andUS 7 093 503 B1 call turbine systemsEN 10 2007 041 457 A1 - •
refers to piston enginesWO 2007/ 115 769 A2
Die Fachliteratur benennt überdies Scrollexpander und weitere Varianten von Rotary-Vane-Expandern als Expansionsmaschine.The technical literature also refers to scroll expanders and other variants of rotary vane expanders as expansion machines.
Diese Vorrichtungen wurden zumeist als Kompressionsmaschinen für die Komprimierung von Gasen entwickelt oder aus Maschinen für andere Wärmekraftprozesse abgeleitet und weisen für eine Entspannungsverdampfungs nach dem TLC-Prozess teils ungünstige Parameter auf.These devices were mostly developed as compression machines for the compression of gases or derived from machines for other thermal power processes and sometimes have unfavorable parameters for flash evaporation according to the TLC process.
Dazu gehören:
- • Die p-V-Kennlinie der Vorrichtung entspricht nicht oder nur ungenügend der p-V-Verdampfungskennlinie des Arbeitsmittels, was zu Umwandlungsverlusten führt
- • Ein zu geringes Expansionsverhältnis von Volumen und Druck und dadurch kein vollständiges Durchlaufen der Verdampfungskurve, was zu ungenutzter thermischer Energie führt
- • hohe Spalt-Verluste an technisch bedingten Dichtflächen bei durch höhere Temperaturen bedingten höheren Arbeitsdrücken
- • Schlechte Anpassung der Vorrichtung an Veränderungen der Eingangstemperatur bzw. der Kondensationstemperatur aufgrund mechanisch vorgegebener Arbeitspunkte
- • Reibungsverluste
- • Z.T. hohe Drehzahlen der Vorrichtung, die zusätzliche, verlustbehaftete Getriebe erfordern
- • Aufwendig und teuer zu fertigende Spezialkomponenten (wie u.a. Turbinen, Screw-Expander)
- • Bauteilschäden durch Tröpfchenerosion, ausgelöst durch eine schnelle, schlagartige Entspannungsverdampfung
- • The pV characteristic of the device does not correspond or only insufficiently corresponds to the pV evaporation characteristic of the working medium, which leads to conversion losses
- • An expansion ratio of volume and pressure that is too low and therefore the evaporation curve is not completed, which leads to unused thermal energy
- • high gap losses on technically conditioned sealing surfaces at higher working pressures caused by higher temperatures
- • Poor adaptation of the device to changes in the inlet temperature or the condensation temperature due to mechanically predetermined operating points
- • Friction losses
- • ZT high speeds of the device, which require additional, lossy gears
- • Special components that are complex and expensive to manufacture (such as turbines, screw expanders)
- • Component damage due to droplet erosion, triggered by rapid, sudden flash evaporation
Ein weiterer Punkt, der in der wissenschaftlichen Literatur häufig betont wird, ist die notwendige Pumpleistung, um am Anfang des Prozesses den benötigten Arbeitsdruck für das kalte flüssige Arbeitsmittel zu erzeugen, für die ein nicht geringer Teil der zuvor erzeugten Energie benötigt wird.Another point that is often emphasized in the scientific literature is the necessary pumping power to generate the required working pressure for the cold liquid working medium at the beginning of the process, which requires a significant portion of the previously generated energy.
Bekannt sind weiterhin verschiedene Vorrichtungen mit Rohrsystemen zur Umwandlung von thermischer Energie in technisch nutzbare Energie:
- •
US 6 412 281 B2 - •
DE102018130412A1 - •
DE 40 35 870 A1 - •
DE 29 43 686 A1 - •
US 4 187 686 A - •
US 3 953 971 A
- •
US 6 412 281 B2 - •
DE102018130412A1 - •
DE 40 35 870 A1 - •
DE 29 43 686 A1 - •
US 4 187 686 A - •
US 3 953 971 A
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine technische Lösung zur Umwandlung von Niedertemperaturwärme in technisch nutzbare Energie unter Realisierung einer Entspannungsverdampfung nach dem TLC-Prozesses (
D.h. die neue technische Lösung soll folgende Eigenschaften aufweisen:
- • die p-V-Kennlinie der Vorrichtung entspricht der p-V-Verdampfungskennlinie des Arbeitsmittels
- • Ein großes volumenbezogenes Expansionsverhältnis
- • Ein großes druckbezogenes Expansionsverhältnis
- • geringe Spaltverluste an technisch bedingten Dichtflächen
- • Vermeidung einer schlagartigen Entspannungsverdampfung und dadurch ausgelöster Tröpfchenerosion
- • Minimierung der zur Erzeugung des Arbeitsdruckes erforderlichen Pumpleistung
- • Leichte Anpassung an Veränderungen der thermischen Umgebungsparameter wie Temperatur der Wärmequelle bzw. der Kondensationstemperatur
- • Abdeckung eines großen Temperaturbereichs der Temperatur der NiedertemperaturWärmequelle und der Kondensationstemperatur
This means that the new technical solution should have the following properties:
- • the pV characteristic of the device corresponds to the pV evaporation characteristic of the working fluid
- • A large volume-related expansion ratio
- • A large pressure-related expansion ratio
- • low gap losses on technically conditioned sealing surfaces
- • Avoidance of sudden flash evaporation and the resulting droplet erosion
- • Minimization of the pumping power required to generate the working pressure
- • Easy adaptation to changes in the thermal environment parameters such as temperature of the heat source or the condensation temperature
- • Coverage of a wide temperature range of the low temperature heat source temperature and the condensation temperature
Erläuterung des LösungsansatzesExplanation of the solution approach
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß wie in den Ansprüchen definiert gelöst durch eine Energiewandlungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in potentielle Energie sowie eine Vorrichtung und Verfahren mit einer zweimaligen Energiewandlung:
- • Erste Wandlung: Umwandlung der thermischen Energie eines Arbeitsmittels in potentielle Energie des Arbeitsmittels durch Anheben des Arbeitsmittels von einem unteren Niveau auf ein oberes Niveau unter Realisierung einer Entspannungsverdampfung nach dem TLC-Prozess
- • Zweite Wandlung: Umwandlung der potentiellen Energie des Arbeitsmittels in technisch nutzbare Energie durch Rückführung des Arbeitsmittels vom oberen auf das untere Niveau und Umwandlung des statischen Druckes des Arbeitsmittels in mechanische Energie, z.B. in einem Hydraulikmotor / -turbine
- • First conversion: Conversion of the thermal energy of a working medium into potential energy of the working medium by raising the working medium from a lower level to an upper level by realizing flash evaporation according to the TLC process
- • Second conversion: Conversion of the potential energy of the working medium into technically usable energy by returning the working medium from the upper to the lower level and converting the static pressure of the working medium into mechanical energy, e.g. in a hydraulic motor / turbine
Neu sind:
- • Die erste Energiewandlungsvorrichtung und das Verfahren zur Wandlung von thermischer Energie in potentielle Energie unter Realisierung einer Entspannungsverdampfung nach dem TLC-Prozess
- • Die Vorrichtung und das Verfahren der zweimaligen Wandlung unter Verwendung der neuartigen ersten Energiewandlungsvorrichtung
- • The first energy conversion device and method for converting thermal energy into potential energy by realizing flash evaporation according to the TLC process
- • The device and method of double conversion using the novel first energy conversion device
Zur besseren Unterscheidbarkeit wird die erste Energiewandlungsvorrichtung nachfolgend „Erster Energiewandler“ genannt.For better differentiation, the first energy conversion device is hereinafter referred to as “First Energy Converter”.
Die Vorrichtung mit zweimaliger Energiewandlung wird nachfolgend als „Gesamtsystem“ bezeichnet Der im Gesamtsystem realisierte thermodynamische Prozess mit zweimaliger Energiewandlung wird aufgrund seiner Ähnlichkeit zum bekannten TLC-Prozess und zur besseren Unterscheidung zum Stand der Technik nachfolgend als „TLC2-Prozess“ bezeichnet.The device with two-fold energy conversion is hereinafter referred to as the "overall system". The thermodynamic process with two-fold energy conversion realized in the overall system is hereinafter referred to as the "TLC2 process" due to its similarity to the known TLC process and to better distinguish it from the state of the art.
Die in
Gesamtsystem mit zweimaliger EnergiewandlungComplete system with two energy conversions
Kernkomponente des Gesamtsystems 11 nach
In
Das am Punkt 2 unter Druck stehende Arbeitsmittel wird in einem Wärmetauscher 31 durch extern zugeführte thermische Energie erwärmt und dem ersten Energiewandler 21 zugeführt.The working fluid under pressure at
Im ersten Energiewandler 21 zur Wandlung thermischer Energie in potentielle Energie wird der Schritt der Entspannungsverdampfung (siehe
Das durch den ersten Energiewandler 21 angehobene und teilweise verdampfte Arbeitsmittel wird nach Austritt aus dem ersten Energiewandler 21 aufgefangen, der Arbeitsmitteldampf 54 kondensiert, zusammen mit dem flüssig gebliebenen Arbeitsmittel 51 gesammelt und unter Verrichtung von mechanischer Arbeit in einem zweiten Energiewandler 34 wieder zum unteren Niveau zurückgeführt. Abweichend zum ursprünglichen TLC-Prozess nach
Diese Druckdifferenz zwischen den Punkten 7 und 2 des TLC2-Prozesses wird im zweiten Energiewandler 34 in technisch nutzbare Energie umgesetzt. Gleichzeitig entfällt damit die nach dem Stand der Technik erforderliche Pumpe zur Erzeugung des notwendigen Arbeitsdruckes.This pressure difference between
Das Produkt aus Druckdifferenz und Volumen des Arbeitsmittels entspricht der im ersten Energiewandler 21 in potentielle Energie gewandelten thermischen Energie.The product of the pressure difference and the volume of the working fluid corresponds to the thermal energy converted into potential energy in the
Der erste EnergiewandlerThe first energy converter
Die physikalische und technische Grundlage für den ersten Energiewandler 21 (siehe
Jeder Arbeitsbereich steht dabei unter einem lokalen Arbeitsdruck pA, der durch die im Rohr über dem jeweiligen Arbeitsbereich befindlichen weiteren Arbeitsbereiche erzeugt wird.Each working area is subject to a local working pressure pA, which is generated by the other working areas located in the pipe above the respective working area.
Entsprechend der Anzahl der oberhalb eines einzelnen Arbeitsbereiches befindlichen weiteren Arbeitsbereiche und dem dadurch in einem einzelnen Arbeitsbereich herrschenden lokalen Arbeitsdruck pA ist das Arbeitsmittel AM in einer Entspannungsverdampfung bei gleichzeitiger Volumenvergrößerung teilweise verdampft und hat sich durch die Entspannungsverdampfung abgekühlt (siehe
Durch die Volumenvergrößerung werden alle darüber befindlichen Arbeitsbereiche angehoben.The increase in volume raises all work areas above it.
Durch Zuführung neuer Arbeitsbereiche (siehe
Das verringert den lokalen Arbeitsdruck pA für alle nachfolgenden Arbeitsbereiche.This reduces the local working pressure pA for all subsequent working areas.
Diese Druckverringerung führt bei allen Arbeitsbereichen im Rohr zu kleinen Entspannungsverdampfungen und damit kleinen Volumenvergrößerungen jedes einzelnen Arbeitsbereichs und folglich einem Anheben aller darüber befindlichen Arbeitsbereiche.This reduction in pressure leads to small flash evaporations in all working areas in the pipe and thus small increases in volume of each individual working area and consequently a lifting of all working areas above.
Die Summe dieser vielen kleinen Volumenvergrößerungen ergibt eine große Volumenvergrößerung, die den obersten Arbeitsbereich stark anhebt (siehe
Damit dieser Vorgang sich kontinuierlich wiederholt, werden auf dem unteren Niveau ständig neue Arbeitsbereiche mit warmem Arbeitsmittel unter einem Dosierdruck pD zugeführt.In order to ensure that this process is repeated continuously, new working areas with warm working fluid are constantly supplied to the lower level under a dosing pressure pD.
Weiterentwickelung des ersten EnergiewandlersFurther development of the first energy converter
Das in
Es können dadurch Höhen von mehreren hundert Meter bis über 1000 Meter erforderlich werden.This may require heights of several hundred meters to over 1000 meters.
Dies kann gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung des ersten Energiewandlers (siehe
Das Gewichtsmedium ist im Gegensatz zum Arbeitsmittel nicht durch die Wärmequelle erwärmt. Hinsichtlich ihrer Zusammensetzung können - aber müssen nicht - Arbeitsmittel und Gewichtsmedium identisch sein, d.h. als Gewichtsmedium wird nicht erwärmtes Arbeitsmittel eingesetzt.In contrast to the working fluid, the weight medium is not heated by the heat source. In terms of their composition, the working fluid and the weight medium can - but do not have to - be identical, i.e. unheated working fluid is used as the weight medium.
Das Gewichtsmedium bewirkt - bei ansonsten gleichen Abläufen wie zu
Der in
Neu ist die Zuführung von Gewichtsmedium zum weiterentwickelten ersten Energiewandler 22.What is new is the supply of weight medium to the further developed first energy converter 22.
Die thermodynamischen Abläufe des TLC2-Prozesses nach
Die durch die geringere Höhe des Gesamtsystems 12 verringerte Druckdifferenz zwischen den Punkten 7 und 2 wird für den zweiten Energiewandler durch ein größeres Volumen aus Arbeitsmittel und Gewichtsmedium kompensiert (siehe
Durch Variation der Menge des Arbeitsmittels bzw. des Gewichtsmediums wird eine leichte Regelung des Gesamtsystems möglich. Von besonderem Vorteil ist, dass der weiterentwickelte erste Energiewandler auch in einer Betriebsart ohne Gewichtsmedium betrieben werden kann und damit der nutzbare Temperaturbereich hin zu niedrigeren Temperaturen und Temperaturdifferenzen ausgedehnt wird.By varying the amount of working fluid or weight medium, the entire system can be easily controlled. A particular advantage is that the further developed first energy converter can also be operated in an operating mode without weight medium, thus extending the usable temperature range to lower temperatures and temperature differences.
Leistungserhöhung durch ParallelisierungIncreased performance through parallelization
Das Prinzip und die einfache Technik des ersten Energiewandlers und des weiterentwickelten ersten Energiewandlers zur Wandlung thermischer Energie in potentielle Energie erlaubt es, beliebig viele aufwärts führende Rohre zur Energiewandlung parallel zu bauen (siehe
Dies hat den Vorteil, dass auch bei niedrigen Temperaturdifferenzen zwischen der Niedertemperaturquelle und der Dampfverflüssigungstemperatur und dem damit verbundenem kleinen Wirkungsgrad trotzdem große Wärmemengen umgesetzt und daraus technisch nutzbare Energie gewonnen werden kann.This has the advantage that even with small temperature differences between the low-temperature source and the steam condensation temperature and the associated low efficiency, large amounts of heat can still be converted and technically usable energy can be obtained from it.
Mit einer Parallelisierung sind Leistungen bis weit in den Megawattbereich erzielbar.With parallelization, outputs well into the megawatt range can be achieved.
Mit der Nutzung des erfindungsgemäßen ersten Energiewandlers, des weiterentwickelten erfindungsgemäßen ersten Energiewandlers sowie der Parallelisierung des ersten und des weiterentwickelten ersten Energiewandlers:
- • Erfolgt durch das Prinzip der frei beweglichen Kolben eine selbsttätige Anpassung der p-V-Kennlinie der ersten Energiewandler an die p-V-Verdampfungskennlinie des Arbeitsmittels
- • Ist eine stufenlose Volumenvergrößerung von mehr als 1:100 möglich (Ausgangsvolumen des flüssigen warmen Arbeitsmittels zu Endvolumen des teilverdampften gasförmigen/flüssigen kalten Arbeitsmittels)
- • ist eine stufenlose Druckentspannung von mehr als 1:10 möglich (maximaler Arbeitsdruck auf dem unteren Niveau zu minimalem Arbeitsdruck auf dem oberen Niveau)
- • Wird durch einen sehr langsamen Druckabbau von mehreren Sekunden bis Minuten (Zeit zwischen Beginn und Ende der Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels) eine explosionsartige Verdampfung des Arbeitsmittels und nachfolgende Tröpfchenerosion, die zu Bauteilzerstörungen führen kann, vermieden
- • Werden durch geringe Druckunterschiede von weit weniger als 0,001 MPa (0,01 bar) zwischen der Kolbenoberseite und der Kolbenunterseite die technischen Anforderungen an die Kolbendichtungen deutlich gesenkt und Spaltverluste weitestgehend reduziert
- • Sind durch mehrere parallel arbeitende erste Energiewandler Leistungen bis weit in den Megawatt-Bereich möglich
- • Ist durch Änderung der zugeführten Mengen des Arbeitsmittels, des Gewichtsmediums oder der Betriebsweise im weiterentwickelten ersten Energiewandler eine einfache Anpassung des TLC2-Prozesses an Veränderungen der externen Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle und/oder der Temperatur der Dampfverflüssigung möglich
- • können bereits geringe Temperaturdifferenzen von 10°K zur Energiegewinnung ausgenutzt werden
- • ist ein flexibler Tag/Nacht-Betrieb sowie ein flexibler Sommer/Winter-Betrieb mit Anpassung an die sich verändernden Temperaturen der Niedertemperaturwärmequelle oder der Dampfverflüssigungstemperatur möglich
- • The principle of freely moving pistons results in an automatic adjustment of the pV characteristic of the first energy converter to the pV evaporation characteristic of the working medium
- • Is a continuous volume increase of more than 1:100 possible (initial volume of the liquid warm working medium to final volume of the partially evaporated gaseous/liquid cold working medium)
- • a continuous pressure relief of more than 1:10 is possible (maximum working pressure at the lower level to minimum working pressure at the upper level)
- • Explosive evaporation of the working fluid and subsequent droplet erosion, which can lead to component damage, is avoided by a very slow pressure reduction of several seconds to minutes (time between the start and end of the flash evaporation of the working fluid)
- • The technical requirements for the piston seals are significantly reduced and gap losses are reduced as a result of small pressure differences of far less than 0.001 MPa (0.01 bar) between the top and bottom of the piston
- • By using several energy converters working in parallel, outputs well into the megawatt range are possible
- • By changing the quantities of working fluid, weight medium or operating mode in the further developed first energy converter, it is possible to easily adapt the TLC2 process to changes in the external temperature of the low-temperature heat source and/or the temperature of the steam liquefaction
- • Even small temperature differences of 10°K can be used to generate energy
- • Flexible day/night operation and flexible summer/winter operation with adaptation to the changing temperatures of the low-temperature heat source or the steam condensation temperature is possible
Die Vorteile des erfindungsgemäßen zweistufigen Verfahrens zur Wandlung von thermischer Energie nach dem TLC2-Prozess in technisch nutzbare Energie sind:
- • die thermodynamisch anspruchsvollen Vorgänge der Wandlung der thermischen Energie nach dem TLC-Prozess in eine andere Energieform werden von der Wandlung in technisch nutzbare mechanische Energie entkoppelt (vergleichbar der Trennung von Dampferzeugung und Turbine in klassischen Wärmekraftwerken)
- • die technische Komplexität einer Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in technisch nutzbare Energie wird im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert, da jeder der beiden Energiewandler für seine jeweilige Aufgabe optimiert werden kann
- • Der zu Prozessbeginn erforderliche Arbeitsdruck für das Arbeitsmittel und ggf. des Gewichtsmediums wird verfahrens- und vorrichtungsintern ohne die nach dem Stand der Technik erforderliche Druckpumpe erzeugt
- • dies senkt die technisch bedingten Verluste, erhöht den technischen Wirkungsgrad des Gesamtsystems und bringt ökonomische Vorteile
- • the thermodynamically demanding processes of converting thermal energy into another form of energy after the TLC process are distinguished from the conversion into technically usable mechanical Energy decoupled (comparable to the separation of steam generation and turbine in conventional thermal power plants)
- • the technical complexity of a device for converting thermal energy into technically usable energy is significantly reduced compared to the state of the art, since each of the two energy converters can be optimized for its respective task
- • The working pressure required at the start of the process for the working medium and, if applicable, the weight medium is generated internally within the process and device without the pressure pump required according to the state of the art
- • This reduces technical losses, increases the technical efficiency of the overall system and brings economic benefits
Auflistung der AbbildungenList of illustrations
-
1 - Thermodynamik des TLC-Prozesses nach dem Stand der Technik1 - Thermodynamics of the state-of-the-art TLC process -
2 - Prinzipaufbau eines Systems zur Nutzung des TLC-Prozesses nach dem Stand der Technik2 - Principle design of a system for using the state-of-the-art TLC process -
3 - Thermodynamik des geänderten TLC2-Gesamtprozesses3 - Thermodynamics of the modified TLC2 overall process -
4 - Darstellung Gesamtsystem 11 nach dem TLC2-Prozess4 - Representation of the entire system 11 after the TLC2 process -
5 - Funktionsprinzip erster Energiewandler5 - Functional principle of the first energy converter -
6 - Funktionsprinzip weiterentwickelter erster Energiewandler6 - Functional principle of further developed first energy converter -
7 - Darstellung Gesamtsystem 12 nach dem TLC2-Prozess7 - Representation of the entire system 12 after the TLC2 process -
8 - Darstellung Gesamtsystem 11 mit mehreren parallelen ersten Energiewandlern 218th - Representation of the entire system 11 with several parallelfirst energy converters 21 -
9 - Thermodynamik des modifizierten M-TLC2-Prozesses9 - Thermodynamics of the modified M-TLC2 process -
10 - Darstellung Gesamtsystem 13 nach dem M-TLC2-Prozess10 - Representation of overall system 13 after the M-TLC2 process -
11 - Darstellung Gesamtsystem 14 nach dem M-TLC2-Prozess11 - Representation of the entire system 14 according to the M-TLC2 process -
12 - Darstellung Aufbau und Funktion erster Energiewandler 2112 - Description of the structure and function of thefirst energy converter 21 -
13 - Darstellung Aufbau und Funktion weiterentwickelter erster Energiewandler 2213 - Description of the structure and function of the first advanced energy converter 22 -
14 - Darstellung der Variation möglicher Betriebszustände der ersten Energiewandler 21 und 22 im T-S-Diagramm14 - Representation of the variation of possible operating states of thefirst energy converters 21 and 22 in the TS diagram -
15 - Darstellung möglicher Gestaltungsvarianten des Rohrsystems der ersten Energiewandler 21 und 22 auf dem unteren bzw. oberen Niveau15 - Representation of possible design variants of the pipe system of thefirst energy converters 21 and 22 at the lower and upper levels respectively
Auflistung der verwendeten Bezugszeichen und AbkürzungenList of reference symbols and abbreviations used
BezugszeichenReference symbols
- AB
- Arbeitsbereich
- AM
- Arbeitsmittel
- GB
- Gewichtsbereich
- GM
- Gewichtsmedium
- H
- Fallhöhe Arbeitsmittel
- pA
- Arbeitsdruck
- pD
- Dosierdruck
- pK
- Kolbendruck
- • Punkte bestimmter thermodynamischer und technischer Zustände in T-S und p-V Diagrammen
- 11
- Gesamtsystem zur Wandlung von Wärmeenergie in technisch nutzbare Energie
- 12
- Weiterentwickeltes Gesamtsystem zur Wandlung von Wärmeenergie in technisch nutzbare Energie
- 21
- Erster Energiewandler zur Wandlung von Wärmeenergie in potenzielle Energie
- 22
- Weiterentwickelter erster Energiewandler zur Wandlung von Wärmeenergie in potentielle Energie
- 31
- Wärmetauscher Niedertemperaturwärmequelle
- 32
- Dampfverflüssigungsvorrichtung
- 33
- Sammel- und Pufferbehälter
- 34
- Zweiter Energiewandler, potentielle in technisch nutzbare Energie
- 40
- Zuführungen, allgemein
- 41
- Zuführung Gewichtsmedium
- 42
- Zuführungen zum Druckaufbau
- 51
- Arbeitsmittel, flüssig, kalt
- 52
- Arbeitsmittel, flüssig, warm
- 53
- Arbeitsmittel, dampfförmig, warm
- 54
- Arbeitsmittel, dampfförmig, kalt
- 60
- Gewichtsmedium (z.B. als flüssiges kaltes Arbeitsmittel)
- 110
- Rohrbogen, unteres Niveau
- 120
- Einbringvorrichtung
- 121
- Einbringvorrichtung, nur Arbeitsmittel
- 122
- Einbringvorrichtung, Arbeitsmittel und Gewichtsmedium
- 125
- Kolben-Stoppvorrichtung
- 126
- Dosiervorrichtung
- 130
- Aufstiegsrohr
- 140
- Rohrbogen, oberes Niveau
- 150
- Separierungsvorrichtung
- 160
- Abstiegsrohr
- 170
- Kolben
- 171
- Kolbenstapel
- AWAY
- Workspace
- AT THE
- Work equipment
- GB
- Weight range
- GM
- Weight medium
- H
- Fall height of work equipment
- pA
- Working pressure
- pD
- Dosing pressure
- pK
- Piston pressure
- • Points of certain thermodynamic and technical states in TS and pV diagrams
- 11
- Complete system for converting thermal energy into technically usable energy
- 12
- Advanced overall system for converting thermal energy into technically usable energy
- 21
- First energy converter to convert heat energy into potential energy
- 22
- Advanced first energy converter for converting heat energy into potential energy
- 31
- Heat exchanger low temperature heat source
- 32
- Steam condensing device
- 33
- Collection and buffer tanks
- 34
- Second energy converter, potential into technically usable energy
- 40
- Feeders, general
- 41
- Feeding weight medium
- 42
- Supply lines for pressure build-up
- 51
- Working fluid, liquid, cold
- 52
- Working fluid, liquid, warm
- 53
- Working fluid, vaporous, warm
- 54
- Working fluid, vaporous, cold
- 60
- Weight medium (e.g. as liquid cold working medium)
- 110
- Pipe bend, lower level
- 120
- Insertion device
- 121
- Insertion device, working equipment only
- 122
- Feeding device, working equipment and weight medium
- 125
- Piston stop device
- 126
- Dosing device
- 130
- Riser tube
- 140
- Pipe bend, upper level
- 150
- Separation device
- 160
- Descent tube
- 170
- Pistons
- 171
- Piston stack
Detaillierte Beschreibung des Verfahrens und der Gesamtsysteme zur Wandlung von thermischer Energie in technisch nutzbare EnergieDetailed description of the process and the overall systems for converting thermal energy into technically usable energy
Die nachfolgende Beschreibung stellt die Arbeitsweise des Gesamtsystems 11 (
Auf Unterschiede wird im Text eingegangen. Die Beschreibung der thermodynamischen Schritte folgt dabei dem Verlauf des TLC2-Prozesses nach
Zum besseren Verständnis sind in den
Das erfindungsgemäße Gesamtsystem 11 (
- • Einen Wärmetauscher 31 zur Übertragung der thermischen Energie einer Niedertemperaturwärmequelle an ein unter Druck stehendes flüssiges Arbeitsmittel 51 ohne Verdampfung des Arbeitsmittels
- • Thermisch isolierte Zuführungen 40, um das erwärmte Arbeitsmittel 52 einem ersten Energiewandler 21 zuzuführen
- • Mindestens ein erfindungsgemäßer erster Energiewandler 21 zur Umwandlung der thermischen Energie des Arbeitsmittels 52 unter Realisierung der Entspannungsverdampfung nach dem TLC2-Prozess in potentielle Energie
- • Zuführungen 40, um den entstandenen Arbeitsmitteldampf 54 einer Dampfverflüssigungsvorrichtung 32 zuzuführen
- • Eine Dampfverflüssigungsvorrichtung 32 zur Verflüssigung des verdampften Arbeitsmittels 54
- • Zuführungen 40, um das im ersten Energiewandler 21 flüssig gebliebene Arbeitsmittel 51 und das in der Dampfverflüssigungsvorrichtung 32 wieder verflüssigte Arbeitsmittel einem Sammelbehälter 33 zuzuführen
- • Ein Sammel- und Pufferbehälter 33 zur Zusammenführung des flüssig gebliebenen und des in der Dampfverflüssigungsvorrichtung 32 verflüssigten Arbeitsmittels
- • Zuführungen 42, um das flüssige, kalte Arbeitsmittel 51 unter Druckaufbau vom Sammelbehälter 33 einem zweiten Energiewandler 34 zuzuführen
- • Mindestens einen zweiten Energiewandler 34 zur Umwandlung der potentiellen Energie des Arbeitsmittels 51 in technisch nutzbare Energie
- • Zuführungen 40, um das noch unter Dosierdruck pD stehende Arbeitsmittel 51 vom zweiten Energiewandler 34 wieder dem Wärmetauscher 31 zuzuführen
- • A heat exchanger 31 for transferring the thermal energy of a low-temperature heat source to a pressurized liquid working medium 51 without evaporation of the working medium
- • Thermally insulated feeders 40 to feed the heated working fluid 52 to a
first energy converter 21 - • At least one
first energy converter 21 according to the invention for converting the thermal energy of the working medium 52 into potential energy by realizing the flash evaporation according to the TLC2 process - • Feeds 40 to feed the resulting working fluid vapor 54 to a vapor liquefaction device 32
- • A vapor liquefaction device 32 for liquefying the vaporized working fluid 54
- • Feeds 40 to feed the working fluid 51 remaining liquid in the
first energy converter 21 and the working fluid liquefied again in the steam liquefaction device 32 to a collecting container 33 - • A collection and buffer tank 33 for combining the working fluid that has remained liquid and that liquefied in the steam liquefaction device 32
- • Feeds 42 to feed the liquid, cold working medium 51 under pressure from the collecting container 33 to a second energy converter 34
- • At least one second energy converter 34 for converting the potential energy of the working medium 51 into technically usable energy
- • Feeds 40 to feed the working medium 51, still under dosing pressure pD, from the second energy converter 34 back to the heat exchanger 31
Das erfindungsgemäße weiterentwickelte Gesamtsystem 12 (
- • Einen Wärmetauscher 31 zur Übertragung der thermischen Energie einer Niedertemperaturwärmequelle an ein unter Druck stehendes flüssiges Arbeitsmittel 51 ohne Verdampfung des Arbeitsmittels
- • Thermisch isolierte Zuführungen 40, um das erwärmte Arbeitsmittel 52 einem weiterentwickelten ersten Energiewandler 22 zuzuführen
- • Mindestens ein erfindungsgemäß weiterentwickelter erster Energiewandler 22 zur Umwandlung der thermischen Energie des Arbeitsmittels 52 unter Realisierung der Entspannungsverdampfung nach dem TLC2-Prozess in potentielle Energie
- • Zuführungen 40, um den entstandenen Arbeitsmitteldampf 54 einer Dampfverflüssigungsvorrichtung 32 zuzuführen
- • Eine Dampfverflüssigungsvorrichtung 32 zur Verflüssigung des verdampften Arbeitsmittels 54
- • Zuführungen 40, um das im ersten Energiewandler 22 flüssig gebliebene Arbeitsmittel 51, das Gewichtsmedium 60 und das in der Dampfverflüssigungsvorrichtung 32 wieder verflüssigte Arbeitsmittel 51 einem Sammelbehälter zuzuführen
- • Ein Sammel- und Pufferbehälter 33 zur Zusammenführung des flüssig gebliebenen, des in der Dampfverflüssigungsvorrichtung 32 verflüssigten Arbeitsmittels sowie des Gewichtsmediums
- • Zuführungen 42, um das flüssige, kalte Arbeitsmittel unter Druckaufbau vom Sammelbehälter einem zweiten Energiewandler 34 zuzuführen
- • Einen zweiten Energiewandler 34 zur Umwandlung der potentiellen Energie des Arbeitsmittels 51 in technisch nutzbare Energie
- • Zuführungen 40, um das noch unter Dosierdruck stehende Arbeitsmittel 51 vom zweiten Energiewandler 34 wieder dem Wärmetauscher 31 zuzuführen
- • Zuführungen 41 zur Zuführung von unter Dosierdruck stehendem kalten Arbeitsmittel 51 als Gewichtsmedium 60 zum ersten Energiewandler 22
- • A heat exchanger 31 for transferring the thermal energy of a low-temperature heat source to a pressurized liquid working medium 51 without evaporation of the working medium
- • Thermally insulated feeders 40 to feed the heated working medium 52 to a further developed first energy converter 22
- • At least one first energy converter 22 further developed according to the invention for converting the thermal energy of the working medium 52 into potential energy by realizing the flash evaporation according to the TLC2 process
- • Feeds 40 to feed the resulting working fluid vapor 54 to a vapor liquefaction device 32
- • A vapor liquefaction device 32 for liquefying the vaporized working fluid 54
- • Feeds 40 to feed the working medium 51 remaining liquid in the first energy converter 22, the weight medium 60 and the working medium 51 liquefied again in the steam liquefaction device 32 to a collecting container
- • A collection and buffer tank 33 for combining the liquid working medium liquefied in the steam liquefaction device 32 and the weight medium
- • Feeds 42 to feed the liquid, cold working medium under pressure from the collecting container to a second energy converter 34
- • A second energy converter 34 for converting the potential energy of the working medium 51 into technically usable energy
- • Feeds 40 to feed the working medium 51, still under dosing pressure, from the second energy converter 34 back to the heat exchanger 31
- • Feeds 41 for feeding cold working fluid 51 under dosing pressure as weight medium 60 to the first energy converter 22
Nicht in den Abbildungen dargestellt werden verschiedene Hilfs- und Zusatzsysteme, da ihre Position und Funktion vielfältig gelöst werden kann. Hilfs- und Zusatzsysteme können z.B. sein:
- • Absaugvorrichtungen für nicht kondensierbare Gase
- • ggf. Trennvorrichtungen für die Trennung von Arbeitsmittel und Gewichtsmedium
- • Filtersysteme zur Reinigung des Arbeitsmittels von Fremdstoffen (z.B. Abrieb)
- • Meßsensoren und Prozess-Steuerungs- und Regeltechnik
- • Wärmespeicher
- • Extraction devices for non-condensable gases
- • if necessary, separating devices for the separation of working medium and weight medium
- • Filter systems for cleaning the working medium from foreign substances (e.g. abrasion)
- • Measuring sensors and process control and regulation technology
- • Heat storage
In beiden Gesamtsystemen 11 und 12 erfolgt die Umwandlung der thermischen Energie in technisch nutzbare Energie nach dem TLC2-Prozess (siehe
- • Schritt a: Isobares Erwärmen (
3 : Pkt.2 - Pkt.3) des unter Dosierdruck stehenden flüssigen Arbeitsmittels aus einer Niedertemperaturwärmequelle ohne Verdampfung des Arbeitsmittels - • Schritt b: Isentrope Umwandlung (
3 : Pkt.3 - Pkt.5) der aufgenommenen thermischen Energie in einem ersten Energiewandler 21 oder 22 in potentielle Energie - • Schritt c: Isobares Kondensieren (
3 : Pkt.5 - Pkt.1) des verdampften Anteils des Arbeitsmittels - • Schritt d: Isochore Umwandlung (
3 : Pkt.1 - Pkt.7) der potentiellen Energie über die Fallhöhe H in statischen Druck - • Schritt e: Isochore Umwandlung (
3 : Pkt.7 - Pkt.2) eines Teils des statischen Druckes im zweiten Energiewandler 34 in technisch nutzbare mechanische Energie
- • Step a: Isobaric heating (
3 : Point 2 - Point 3) of the liquid working fluid under dosing pressure from a low-temperature heat source without evaporation of the working fluid - • Step b: Isentropic conversion (
3 : Point 3 - Point 5) of the absorbed thermal energy in afirst energy converter 21 or 22 into potential energy - • Step c: Isobaric condensation (
3 : Point 5 - Point 1) of the evaporated portion of the working fluid - • Step d: Isochoric conversion (
3 : Point 1 - Point 7) of the potential energy over the drop height H into static pressure - • Step e: Isochoric conversion (
3 : Point 7 - Point 2) of a part of the static pressure in the second energy converter 34 into technically usable mechanical energy
Thermodynamischer Punkt 2
Startpunkt des Energieumwandlungsprozesses ist Punkt 2 des TLC2-Prozesses (siehe
Das kalte flüssige Arbeitsmittel 51 steht unter Druck und wird durch Zuführungen 40 dem Wärmetauscher 31 zur Aufnahme von thermischer Energie der Niedertemperaturwärmequelle zugeführt und darin erwärmt ohne zu verdampfen.The cold liquid working medium 51 is under pressure and is fed through inlets 40 to the heat exchanger 31 for absorbing thermal energy from the low-temperature heat source and is heated therein without evaporating.
Als Niedertemperaturwärmequelle können neben Erdwärme, Meereswärme, Solarwärme, Abwärme aus technischen Prozessen (z.B. Stahl- und Kunststoffindustrie), Wärme aus Kühlprozessen (z-B. Kühlhäuser, Rechenzentren) auch Wärme aus Verbrennungsprozessen (z.B. Reststoffverbrennung, Biogas) oder Restwärme anderer Prozesse (z.B. chemische Industrie) genutzt werden.In addition to geothermal energy, ocean heat, solar heat, waste heat from technical processes (e.g. steel and plastics industry), heat from cooling processes (e.g. cold storage, data centers), heat from combustion processes (e.g. waste incineration, biogas) or residual heat from other processes (e.g. chemical industry) can be used as low-temperature heat sources.
Als Arbeitsmittel können hierbei, je nach Temperaturniveau und Temperaturdifferenz zwischen der genutzten Niedertemperaturwärmequelle und der verfügbaren Kondensationstemperatur, alle organischen und anorganischen Stoffe sowie Stoffmischungen zur Anwendung kommen, die den Temperaturbereich von der maximalen Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle bis zur minimalen Temperatur der Dampfverflüssigung als Flüssigkeit ohne thermische Zersetzung und ohne zu gefrieren abdecken.Depending on the temperature level and temperature difference between the low-temperature heat source used and the available condensation temperature, all organic and inorganic substances as well as mixtures of substances can be used as working fluids that cover the temperature range from the maximum temperature of the low-temperature heat source to the minimum temperature of the vapor condensation as a liquid without thermal decomposition and without freezing.
Bei der Auswahl des Arbeitsmittels ist zu beachten, dass chemische Reaktionen des Arbeitsmittels mit einzelnen Bestandteilen des Gesamtsystems vermieden werden.When selecting the working fluid, care must be taken to avoid chemical reactions between the working fluid and individual components of the overall system.
Thermodynamischer Punkt 3
Das aus dem Wärmetauscher 31 austretendende erwärmte Arbeitsmittel 52 fließt anschließend durch thermisch isolierte Zuführungen 40 dem ersten Energiewandler 21 (
Im weiterentwickelten Gesamtsystem 12 (
Thermodynamische Punkte 4' und 4"
In dem ersten Energiewandler 21 (
Thermodynamischer Punkt 5
Im oberen Bereich des ersten Energiewandlers 21 bzw. 22 ist das Arbeitsmittel entsprechend dem TLC2-Prozess (siehe
Der noch flüssige Anteil des kalten Arbeitsmittels 51 verlässt auf dem oberen Niveau (Punkt 5) in Gesamtsystem 11 (
Im weiterentwickelten Gesamtsystem 12 (
Thermodynamischer Punkt 6
Der verdampfte und abgekühlte Anteil des Arbeitsmittel 54 verlässt in beiden Gesamtsystemen 11 und 12 ebenfalls den ersten Energiewandler 21 bzw. 22, strömt der Dampfverflüssigungseinrichtung 32 zu und wird hier unter Verminderung der Entropie (Punkt 6) wieder verflüssigt. Ggf. entstandene nicht kondensierbare Gase werden hier abgesaugt.The evaporated and cooled portion of the working medium 54 also leaves the
Das wieder flüssige kalte Arbeitsmittel 51 fließt ebenfalls dem Sammelbehälter 33 zu.The cold working fluid 51, which has become liquid again, also flows into the collecting tank 33.
Thermodynamischer Punkt 1
Mit Eintritt des flüssigen, kalten Arbeitsmittels in den Sammelbehälter 33 ist in beiden Gesamtsystemen 11 und 12 der Punkt 1 des TLC2-Prozesses erreicht.When the liquid, cold working fluid enters the collecting tank 33,
Die zuvor aufgenommene thermische Energie ist umgewandelt, das kalte Arbeitsmittel 51 (inkl. dem ehemaligen Gewichtsmedium 60) besitzt jetzt potentielle Energie.The previously absorbed thermal energy is converted, the cold working medium 51 (including the former weight medium 60) now has potential energy.
Thermodynamischer Punkt 7Thermodynamic point 7
Zur Umwandlung der potentiellen Energie in technisch nutzbare Energie fließt das kalte Arbeitsmittel 51 - in Gesamtsystem 12 auch das Gewichtsmedium 60 - durch druckstabile Zuführungen 42 unter Druckaufbau dem zweiten Energiewandler 34 zu.In order to convert the potential energy into technically usable energy, the cold working medium 51 - in the overall system 12 also the weight medium 60 - flows through pressure-stable feed lines 42 to the second energy converter 34 under pressure build-up.
Am Eingang des zweiten Energiewandlers 34 erzeugt die Flüssigkeitssäule einen hohen Druck (Punkt 7). Dieser Druck wird im zweiten Energiewandler 34 teilweise in mechanische Energie umgesetzt, die nachfolgend z.B. in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt, aber auch als mechanische Energie zum Antrieb von Maschinen verwendet werden kann.At the entrance of the second energy converter 34, the liquid column generates a high pressure (point 7). This pressure is partially converted into mechanical energy in the second energy converter 34, which can then be converted into electrical energy in a generator, for example, but can also be used as mechanical energy to drive machines.
Thermodynamischer Punkt 2
Das kalte Arbeitsmittel 51 verlässt den zweiten Energiewandler 34 unter einem verbleibenden Restdruck, nachfolgend als Dosierdruck pD bezeichnet. Dieser Dosierdruck pD entspricht Punkt 2 des TLC2-Prozesses und ist so hoch, dass das Arbeitsmittel 51 nachfolgend bei der erneuten Aufnahme von thermischer Energie im Wärmetauscher 31 nicht zu verdampfen beginnt.The cold working medium 51 leaves the second energy converter 34 under a residual pressure, hereinafter referred to as the dosing pressure pD. This dosing pressure pD corresponds to point 2 of the TLC2 process and is so high that the working medium 51 does not subsequently begin to evaporate when thermal energy is absorbed again in the heat exchanger 31.
In Gesamtsystem 11 wird das gesamte Arbeitsmittel 51 erneut dem Wärmetauscher 31 zugeführt.In the overall system 11, the entire working fluid 51 is fed again to the heat exchanger 31.
In Gesamtsystem 12 wird ein Teil des kalten Wärmemediums 51 als Gewichtsmedium 60 abgetrennt und direkt dem ersten Energiewandler 22 zugeführt. Das restliche Arbeitsmittel 51 wird erneut dem Wärmetauscher 31 zugeführt.In the overall system 12, a portion of the cold heat medium 51 is separated as a weight medium 60 and fed directly to the first energy converter 22. The remaining working medium 51 is fed again to the heat exchanger 31.
Damit ist der Startpunkt des Energieumwandlungsprozesses erreicht und der Kreislauf geschlossen.This marks the starting point of the energy conversion process and closes the cycle.
Vergleich der Gesamtsystems 11 und 12Comparison of the overall systems 11 and 12
Bei Vergleich der p-V-Diagramme der Gesamtsysteme 11 und 12 (
Bei gleicher Menge an zugeführter thermischer Energie wird in den Gesamtsystemen 11 und 12 jedoch immer die gleiche Menge an technisch nutzbarer Energie erzeugt.However, with the same amount of thermal energy supplied, the overall systems 11 and 12 always generate the same amount of technically usable energy.
Leistungssteigerungperformance increase
Zur Steigerung der Leistung der Gesamtsysteme 11 und 12 können mehrere erste Energiewandler 21 bzw. weiterentwickelte erste Energiewandler 22 parallel genutzt werden (siehe
Durch Abschaltung einzelner erster Energiewandler 21 bzw. 22 über einen Stop der Zuführung von Arbeitsmittel ist eine einfache Anpassung der Leistung der ersten Energiewandler 21 bzw. 22 an die Menge der verfügbaren thermischen Energie möglich. Eine Verwendung mehrerer, einzeln abschaltbarer Energiewandler 34 ist dabei vorteilhaft.By switching off individual
Nutzbarer TemperaturbereichUsable temperature range
Die Arbeitsweise der Gesamtsysteme 11 und 12 basiert nur auf dem Druckunterschied zwischen dem Dampfdruck bei maximaler Arbeitstemperatur und dem Dampfdruck bei Dampfverflüssigungstemperatur. Gesamtsystem 11 ist hierbei besonders vorteilhaft für geringe Temperaturdifferenzen, Gesamtsystem 12 für höhere Temperaturdifferenzen.The operation of the entire systems 11 and 12 is based only on the pressure difference between the vapor pressure at maximum working temperature and the vapor pressure at vapor condensation temperature. The entire system 11 is particularly advantageous for small temperature differences, the entire system 12 for larger temperature differences.
Insbesondere dadurch, dass das weiterentwickelte Gesamtsystem 12 durch entsprechende Steuerung wie ein Gesamtsystem 11 betrieben werden kann, wird der Einsatzbereich des Gesamtsystems 12 wesentlich erweitert.In particular, the fact that the further developed overall system 12 can be operated like an overall system 11 by means of appropriate control means significantly expands the application area of the overall system 12.
Weiternutzung der KondensationswärmeFurther use of condensation heat
Durch den breiten nutzbaren und variablen Temperaturbereich ist bei einer entsprechenden Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle auch eine Weiternutzung der Kondensationswärme möglich.Due to the wide usable and variable temperature range, further use of the condensation heat is also possible if the low-temperature heat source has the appropriate temperature.
So kann z.B. bei einer maximalen Arbeitstemperatur von 150°C und einer Kondensationstemperatur von 70°C die Kondensationswärme Heizungswasser erwärmen.For example, at a maximum operating temperature of 150°C and a condensation temperature of 70°C, the condensation heat can heat heating water.
Die erzeugte Energiemenge des Gesamtsystems sinkt entsprechend. Der exergetische Wirkungsgrad des Gesamtsystems verändert sich entsprechend dem Grad der Nutzung der Kondensationswärme.The amount of energy generated by the overall system decreases accordingly. The exergetic efficiency of the overall system changes according to the degree of use of the condensation heat.
Beschreibung der Gesamtsysteme 13 und 14 zur Wandlung von thermischer Energie in technisch nutzbare Energie als spezielle Ausführungen der Gesamtsysteme 11 und 12Description of the overall systems 13 and 14 for converting thermal energy into technically usable energy as special versions of the overall systems 11 and 12
In Abhängigkeit von der Art der Niedertemperaturwärmequelle und dem Ort der Bereitstellung der Niedertemperaturwärme sind spezielle Ausführungen der Gesamtsysteme 11 und 12 möglich.Depending on the type of low-temperature heat source and the location where the low-temperature heat is provided, special designs of the overall systems 11 and 12 are possible.
In
Gesamtsystem 13 ist eine Weiterentwicklung des Gesamtsystems 11. Gesamtsystem 14 ist eine Weiterentwicklung des Gesamtsystems 12.Overall system 13 is a further development of overall system 11. Overall system 14 is a further development of overall system 12.
Gemeinsames Merkmal der Gesamtsysteme 13 und 14 ist, dass der Wärmetauscher 31 zum Einbringen der Niedertemperaturwärme zwischen dem Sammelbehälter 33 und dem zweiten Energiewandler 34 angeordnet ist und sich über die Fallhöhe H erstreckt.A common feature of the overall systems 13 and 14 is that the heat exchanger 31 for introducing the low-temperature heat is arranged between the collecting tank 33 and the second energy converter 34 and extends over the fall height H.
Das zu erwärmende Arbeitsmittel 51 durchläuft hierbei unter gleichzeitigem Druckaufbau den Wärmetauscher 31 und wird als bereits erwärmtes Arbeitsmittel 52 dem zweiten Energiewandler 34 zugeführt. Nach Austritt des warmen Arbeitsmittels aus dem zweiten Energiewandler 34 kommt es zu keiner Verdampfung aufgrund des verbleibenden hohen Dosierdrucks pD. Anschließend wird das erwärmte Arbeitsmittel direkt dem ersten Energiewandler 21 bzw. 22 zugeführt.The working medium 51 to be heated passes through the heat exchanger 31 while simultaneously building up pressure and is fed to the second energy converter 34 as already heated working medium 52. After the warm working medium exits the second energy converter 34, no evaporation occurs due to the remaining high dosing pressure pD. The heated working medium is then fed directly to the
In
Die Umsetzung der thermischen Energie in technisch nutzbare Energie erfolgt im M-TLC2-Prozess in den Verfahrensschritten:
- • Schritt a: Isentrope Umwandlung (
3 : Pkt. 4' und 4") der thermischen Energie des erwärmten Arbeitsmittels in einem ersten Energiewandler 21 oder 22 in potentielle Energie - • Schritt b: Isobares Kondensieren (
3 : Pkt.5 - Pkt.1) des verdampften Anteils des Arbeitsmittels - • Schritt c: Isochores Erwärmen (
3 : Pkt.1 - Pkt.7) des flüssigen Arbeitsmittels bei gleichzeitigem Aufbau von statischem Druck über die Fallhöhe H aus einer Niedertemperaturwärmequelle ohne Verdampfung des Arbeitsmittels - • Schritt d: Isochore Umwandlung (
3 : Pkt.7 - Pkt.3) eines Teils des statischen Druckes im zweiten Energiewandler 34 in technisch nutzbare mechanische Energie
- • Step a: Isentropic conversion (
3 :Points 4' and 4") of the thermal energy of the heated working medium in afirst energy converter 21 or 22 into potential energy - • Step b: Isobaric condensation (
3 : Point 5 - Point 1) of the evaporated portion of the working fluid - • Step c: Isochoric heating (
3 : Point 1 - Point 7) of the liquid working fluid with simultaneous build-up of static pressure over the drop height H from a low-temperature heat source without evaporation of the working fluid - • Step d: Isochoric conversion (
3 : Point 7 - Point 3) of a part of the static pressure in the second energy converter 34 into technically usable mechanical energy
Der thermodynamische Ablauf des M-TLC2-Prozesses stellt sich im p-V-Diagramm optisch ähnlich dar, im Vergleich zum TLC2-Prozess ändert sich wenig.The thermodynamic course of the M-TLC2 process appears visually similar in the p-V diagram; little changes compared to the TLC2 process.
Anders im T-S-Diagramm, wo der fehlende Punkt 2 und die geänderte Position von Punkt 7 die neue Anordnung des Wärmetauschers und den dadurch geänderten Verlauf darstellt.The situation is different in the T-S diagram, where the
Zum besseren Verständnis sind in den
Detaillierte Beschreibung der Funktion des ersten Energiewandlers 21 bzw. des weiterentwickelten ersten Energiewandlers 22 zur Wandlung von thermischer Energie in potentielle EnergieDetailed description of the function of the
Die nachfolgende Beschreibung stellt die Arbeitsweise des ersten Energiewandlers 21 (
Der erfindungsgemäße erste Energiewandler 21 (
- • Ein geschlossenes, thermisch isoliertes, aufwärts gerichtetes Rohrsystem mit einem Aufstiegsrohr 130 und einem Abstiegsrohr 160 verbunden durch einen unteren Rohrbogen 110 und einen oberen Rohrbogen 140
- • Eine große Anzahl von in dem Rohrsystem frei umlaufende, mit einer Dichtung versehene, nicht kippende Kolben 170, die die Räume oberhalb und unterhalb des Kolbens voneinander trennen sowie im Abstiegsrohr 160 einen Kolbenstapel 171 bilden
- • Einbringöffnungen im Rohrsystem und einer Einbringvorrichtung 121 im unteren Bereich des Energiewandlers zum Einbringen von warmen Arbeitsmittel 52
- • Auslassöffnungen im Rohrsystem und einer Separierungsvorrichtung 150 im oberen Bereich des Rohrsystems zum Auslassen des flüssigen und verdampften Arbeitsmittels 51 und 54
- • A closed, thermally insulated, upward pipe system with an ascent pipe 130 and a descent pipe 160 connected by a lower pipe bend 110 and an upper pipe bend 140
- • A large number of freely rotating, sealed, non-tilting pistons 170 in the pipe system, which separate the spaces above and below the piston and form a piston stack 171 in the descent pipe 160
- • Inlet openings in the pipe system and an insertion device 121 in the lower part of the energy converter for the introduction of warm working fluid 52
- • Outlet openings in the pipe system and a separating device 150 in the upper part of the pipe system for discharging the liquid and vaporized working medium 51 and 54
Der erfindungsgemäße weiterentwickelte erste Energiewandler 22 (
- • eine erweiterte Einbringvorrichtung 122 auf dem unteren Niveau des Rohrsystems zum zusätzlichen Einbringen von Gewichtsmedium 60
- • an extended introduction device 122 at the lower level of the pipe system for additional introduction of weight medium 60
Nicht in den Abbildungen dargestellt werden verschiedene Hilfs- und Zusatzsysteme, da ihre Position und Funktion vielfältig gelöst werden kann. Hilfs- und Zusatzsysteme können z.B. sein:
- • Startvorrichtung zur initialen Inbetriebsetzung des Prozesses
- • Serviceeinrichtungen zum Befüllen des Energiewandlers mit Kolben und Arbeitsmittel, Austausch defekter Kolben oder Reinigung des Arbeitsmittels (z.B. Abrieb)
- • Meßsensoren sowie Prozesssteuerungs- und Regeltechnik
- • Wärmespeicher
- • Starting device for initial commissioning of the process
- • Service facilities for filling the energy converter with pistons and working fluid, replacing defective pistons or cleaning the working fluid (e.g. abrasion)
- • Measuring sensors and process control and regulation technology
- • Heat storage
Schritt 1 - Einbringen der MedienStep 1 - Inserting the media
Startpunkt der Wandlung von thermischer Energie in potentielle Energie ist im unteren Bereich des Rohrsystems, - beispielhaft dargestellt - im unteren Rohrbogen 110.The starting point for the conversion of thermal energy into potential energy is in the lower part of the pipe system, as shown in the example in the lower pipe bend 110.
Aus dem Abstiegsrohr 160 werden Kolben 170, die unter dem Druck pK des nachfolgenden Kolbenstapels 171 stehen, in die Einbringvorrichtungen 121 (
Der Einbringvorrichtung 121 bzw. 122 wird von außen das unter einem Dosierdruck pD - der größer ist als der maximale Arbeitsdruck pA - stehende erwärmte Arbeitsmittel 52 zugeführt.The heated working medium 52, which is under a dosing pressure pD - which is greater than the maximum working pressure pA - is supplied from the outside to the introduction device 121 or 122.
In der Einbringvorrichtung 121 bzw. 122 wird anschließend das erwärmte Arbeitsmittel 52 zwischen zwei Kolben 170 eingebracht. Dieser Bereich wird damit zu einem Arbeitsbereich AB.The heated working medium 52 is then introduced between two pistons 170 in the introduction device 121 or 122. This area thus becomes a working area AB.
Zusätzlich kann in Einbringvorrichtung 122 (
Die Menge der zugeführten Medien und der Zeitpunkt der Einbringung werden durch Dosiervorrichtungen 126 gesteuert.The amount of media supplied and the time of introduction are controlled by dosing devices 126.
Zum sicheren Einbringen des Arbeitsmittels bzw. des Gewichtsmediums können in den Einbringvorrichtungen 121 und 122 einzelne Kolben 170 von einer Kolbenstoppvorrichtung 125 kurzzeitig angehalten werden. Nach Freigabe der gestoppten Kolben 170 werden die eingebrachten Bereiche durch den Druck der nachfolgenden Kolben 170 bzw. der nächsten eingebrachten Bereiche in das Aufstiegsrohr 130 geschoben.To safely introduce the working medium or the weight medium, individual pistons 170 in the introduction devices 121 and 122 can be briefly stopped by a piston stop device 125. After the stopped pistons 170 are released, the introduced areas are pushed into the riser tube 130 by the pressure of the subsequent pistons 170 or the next introduced areas.
Die Kolben 170 schaffen dabei für das erwärmte Arbeitsmittel bzw. das Gewichtsmedium eine räumliche und thermisch isolierte Abgrenzung zu den vorhergehenden bzw. nachfolgenden Bereichen.The pistons 170 create a spatial and thermally insulated separation for the heated working medium or the weight medium from the preceding or following areas.
Grundsätzlich ist es nicht notwendig, für den weiterentwickelten ersten Energiewandler 22 den Bereichen zwischen zwei Kolben jeweils eine spezifische Zuordnung zu Arbeitsbereich oder Gewichtsbereich zu geben. Jeder Bereich zwischen zwei Kolben kann Arbeitsbereich oder Gewichtsbereich sein.In principle, it is not necessary to give the areas between two pistons a specific assignment to a working area or weight range for the further developed first energy converter 22. Any area between two pistons can be a working area or weight range.
Aus technischer Sicht kann es aber sinnvoll sein, die Kolben unterschiedlich zu gestalten und damit explizite Arbeits- und Gewichtsbereiche zwischen den Kolben zu spezifizieren.From a technical point of view, however, it may make sense to design the pistons differently and thus specify explicit working and weight ranges between the pistons.
Mögliche Gründe sind z.B.:Possible reasons include:
- • Das vereinfachte, getrennte Einbringen von Arbeitsmittel 52 und Gewichtsmedium 60• The simplified, separate introduction of working medium 52 and weight medium 60
- • Bessere Steuerungsmöglichkeiten des Energiewandlers• Better control options for the energy converter
Schritt 2 - Umwandlung der thermischen Energie in potentielle EnergieStep 2 - Conversion of thermal energy into potential energy
Nach Eintritt der Arbeitsbereiche AB bzw. Gewichtsbereiche GB (letzteres nur im weiterentwickelten ersten Energiewandler 22) in das Aufstiegsrohr 130 beginnt, wie im Zusammenhang mit
Nach Unterschreiten eines von der Temperatur und der Dampfdruckkurve des warmen Arbeitsmittels abhängigen Arbeitsdrucks pA beginnt das Arbeitsmittel 52 in einer Entspannungsverdampfung zu verdampfen, so dass warmer Arbeitsmitteldampf 53 gebildet wird. Dadurch kommt es zu einer Volumenvergrößerung des Arbeitsbereiches bei gleichzeitiger Abkühlung des Arbeitsmittels. Durch diese Volumenvergrößerung werden im Aufstiegsrohr alle oberhalb dieses Arbeitsbereiches befindlichen Arbeits- bzw. Gewichtsbereiche (letzteres nur im weiterentwickelten ersten Energiewandler 22) angehoben.After falling below a working pressure pA, which depends on the temperature and the vapor pressure curve of the warm working fluid, the working fluid 52 begins to evaporate in a flash vaporization, so that warm working fluid vapor 53 is formed. This leads to an increase in volume of the working area while the working fluid cools down at the same time. This increase in volume causes all working or weight areas in the riser pipe above this working area (the latter only in the further developed first energy converter 22) to be raised.
Bei einer hinreichend großen Volumenvergrößerung führt dies zu einem Austritt von kaltem Arbeitsmitteldampf 54, kaltem Arbeitsmittel 51 und im weiterentwickelten ersten Energiewandler 22 auch Gewichtsmedium 60 im oberen Bereich des Rohrsystems - beispielhaft dargestellt im oberen Rohrbogen 140 - in die Separationsvorrichtung 150.If the volume increase is sufficiently large, this leads to the escape of cold working medium vapor 54, cold working medium 51 and, in the further developed first energy converter 22, also weight medium 60 in the upper region of the pipe system - shown as an example in the upper pipe bend 140 - into the separation device 150.
Durch den Austritt der Medien in die Separationsvorrichtung 150 verringert sich der Arbeitsdruck pA, der auf den im Aufstiegsrohr 130 verbliebenen Arbeits- und Gewichtsbereichen (letzteres nur im weiterentwickelten ersten Energiewandler 22) lastet. Das führt in den noch im Aufstiegsrohr 130 befindlichen Arbeitsbereichen AB zu einer weiteren Entspannungsverdampfung des noch flüssigen warmen Arbeitsmittels 52, einem Ausdehnen des bereits vorhandenen warmen, unter Druck stehenden Arbeitsmitteldampfes 53, einer damit verbundenen Volumenvergrößerung der Arbeitsbereiche und dem Anheben aller oberhalb eines einzelnen Arbeitsbereiches befindlichen Bereiche.As the media exits into the separation device 150, the working pressure pA that is applied to the working and weight areas remaining in the riser tube 130 (the latter only in the further developed first energy converter 22) is reduced. This leads to further expansion evaporation of the still liquid warm working medium 52 in the working areas AB still in the riser tube 130, an expansion of the already existing warm, pressurized working medium vapor 53, an associated increase in the volume of the working areas and the raising of all areas located above an individual working area.
Der beschriebene Ablauf von
- • Austritt von Medien im oberen Bereich des Rohrsystems
- • einer dadurch initiierten Druckverringerung im Aufstiegsrohr 130
- • einer nachfolgenden Entspannungsverdampfung von warmen Arbeitsmittel 52
- • Ausdehnen des bereits vorhandenen warmen Arbeitsmitteldampfes 53
- • Anheben der Bereiche im Aufstiegsrohr 130
- • Leakage of media in the upper part of the pipe system
- • a resulting pressure reduction in the riser tube 130
- • a subsequent flash evaporation of warm working fluid 52
- • Expansion of the already existing warm working fluid steam 53
- • Raising the areas in the riser tube 130
Am Ende des Aufstiegs ist das Arbeitsmittel 52 teilweise verdampft und bis auf Kondensationstemperatur abgekühlt. Der entstandene Arbeitsmitteldampf 54 ist unter Volumenvergrößerung und Abkühlung bis auf Kondensationsdruck entspannt.At the end of the ascent, the working medium 52 has partially evaporated and cooled down to condensation temperature. The resulting working medium vapor 54 is expanded while increasing in volume and cooling down to condensation pressure.
Durch das Prinzip der frei beweglichen Kolben 170 gibt es keine mechanisch vorgegebene p-V-Kennlinie des ersten (21) und des weiterentwickelten ersten Energiewandlers (22). Das bedeutet, die p-V-Kennlinie der ersten Energiewandler ist variabel und passt sich aufgrund des sich selbst regulierenden Arbeitsdruckes pA jedes einzelnen Arbeitsbereiches und der dadurch erzwungenen Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels selbsttätig der p-V-Verdampfungskennlinie des Arbeitsmittels im genutzten Temperaturbereich an.Due to the principle of the freely movable pistons 170, there is no mechanically predetermined pV characteristic curve of the first (21) and the further developed first energy converter (22). This means that the pV characteristic curve of the first energy converter is variable and automatically adapts to the pV evaporation characteristic curve of the working medium in the temperature range used due to the self-regulating working pressure pA of each individual working area and the resulting forced expansion evaporation of the working medium.
Vergleichbares ist mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht möglich.Something comparable is not possible with state-of-the-art devices.
Gleichfalls ist damit
- • eine stufenlose Volumenvergrößerung von mehr als 1:100 - bezogen auf das Ausgangsvolumen des flüssigen warmen Arbeitsmittels zum Endvolumen des teilverdampften gasförmigen/flüssigen kalten Arbeitsmittels - sowie
- • eine stufenlose Druckentspannung von weit mehr als 1:10 - bezogen auf den maximalen Arbeitsdruck auf dem unteren Niveau zum minimalem Arbeitsdruck auf dem oberen Niveau - möglich
- • a continuous volume increase of more than 1:100 - based on the initial volume of the liquid warm working medium to the final volume of the partially evaporated gaseous/liquid cold working medium - and
- • a continuous pressure relief of far more than 1:10 - based on the maximum working pressure at the lower level to the minimum working pressure at the upper level - is possible
Schritt 3 - Trennung und Ausbringung der MedienStep 3 - Separation and application of media
Nach dem Austritt des Arbeitsmitteldampfes 54, des abgekühlten, flüssig verbliebenen Arbeitsmittels 51 bzw. Gewichtsmedium 60 (letzteres nur im weiterentwickelten ersten Energiewandler 22) im oberen Rohrbogen 140 aus dem Rohrsystem werden die Medien in der Separationsvorrichtung 150 getrennt. Das flüssig verbliebene Arbeitsmittel 51 wird aufgefangen, gesammelt und dem Sammelbehälter 33 zugeführt. Im weiterentwickelten Energiewandler 22 wird das flüssig verbliebene Arbeitsmittel 51 gemeinsam mit dem Gewichtsmedium 60 aufgefangen.After the working medium vapor 54, the cooled, liquid working medium 51 or weight medium 60 (the latter only in the further developed first energy converter 22) emerge from the pipe system in the upper pipe bend 140, the media are separated in the separation device 150. The liquid working medium 51 is caught, collected and fed to the collection container 33. In the further developed energy converter 22, the liquid working medium 51 is caught together with the weight medium 60.
Der Arbeitsmitteldampf 54 wird durch entsprechende Zuführungen 40 der Dampfverflüssigungsvorrichtung 32 zugeführt. Evtl. vom Arbeitsmitteldampf mitgerissene Arbeitsmittel-Tröpfchen werden in der Separationsvorrichtung 150 abgeschieden und dem Sammelbehälter 33 zugeführt.The working medium vapor 54 is fed to the vapor liquefaction device 32 through corresponding feeds 40. Any working medium droplets entrained by the working medium vapor are separated in the separation device 150 and fed to the collecting container 33.
Schritt 4 - Rückführung der KolbenStep 4 - Returning the pistons
Die nach Austritt der Medien aus dem Rohrsystem funktionslosen Kolben 170 werden weiter zum Abstiegsrohr 160 geführt. Dort wird durch das Eigengewicht der Kolben der restliche Arbeitsmitteldampf 54 durch dafür vorgesehene Auslassöffnungen aus dem Rohrsystem in die Separationsvorrichtung 150 gedrückt.The pistons 170, which are no longer functional after the media have exited the pipe system, are guided further to the downpipe 160. There, the weight of the pistons forces the remaining working medium vapor 54 out of the pipe system into the separation device 150 through the outlet openings provided for this purpose.
Die Kolben 170 werden als Kolbenstapel 171 zusammengeführt und erzeugen durch ihr Eigengewicht den in den Einbringvorrichtungen 121 und 122 benötigen Kolbendruck pK.The pistons 170 are brought together as a piston stack 171 and, due to their own weight, generate the piston pressure pK required in the introduction devices 121 and 122.
Der erfindungsgemäße Aufbau der ersten Energiewandler 21 und 22 als geschlossenes Rohrsystem mit freilaufenden Kolben eröffnet die Möglichkeit einer Energiewandlung von thermischer in potentielle Energie mit einem sehr großen und variablen Arbeitsbereich hinsichtlich der möglichen Volumenvergrößerung und dem abzubauenden Arbeitsdruck.The inventive design of the
Die durch das Prinzip einzelner kleiner Arbeitsbereiche realisierbare stufenlose und variable Entspannungsverdampfung eines Arbeitsmittels ist nur mit einer sehr fein gestuften Turbine vergleichbar.The stepless and variable flash evaporation of a working medium, which can be achieved through the principle of individual small working areas, can only be compared with a very finely stepped turbine.
Der besondere Vorteil der Vielzahl einzelner Arbeitsbereiche ist die damit verbundene lange Zeit (im Vergleich zum Stand der Technik) vom Beginn der Entspannungsverdampfung des Arbeitsmittels bis zum Austritt auf dem oberen Niveau (siehe
Bei einer Anzahl von maximal 5 neu zugeführten Arbeitsbereichen je Sekunde, (idealerweise weniger als einem Arbeitsbereich je Sekunde) und einer zum Druckaufbau im Rohr erforderlichen Anzahl von mindestens 10 Arbeitsbereichen ergibt sich eine relativ lange Zeit der Entspannungsverdampfung von 2-10 Sekunden (bei höheren Temperaturen des warmen Arbeitsmittels 52 wegen der größeren Anzahl an Arbeitsbereichen bis zu einigen Minuten), was mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht erreichbar ist.With a maximum number of 5 newly supplied working areas per second (ideally less than one working area per second) and a number of at least 10 working areas required to build up pressure in the pipe, a relatively long time of flash evaporation of 2-10 seconds results (at higher temperatures of the warm working medium 52 due to the larger number of working areas up to several minutes), which is not achievable with devices according to the state of the art.
Durch diese lange Zeit der Entspannungsverdampfung wird eine explosionsartige Dampfblasenbildung, die bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik durch Tröpfchenerosion eine große Gefahr darstellt, vermieden.This long flash evaporation time prevents explosive vapor bubble formation, which poses a great danger in state-of-the-art devices due to droplet erosion.
Als weiterer Vorteil kann die Entspannungsverdampfungskurve im T-S-Diagramm nach
In
Der Ausgangspunkt der Entspannungsverdampfung (Punkt 3) ist nach oben verschoben.
Es wird mehr thermische Energie als unter Basis-Betriebsbedingungen umgesetzt.
The starting point of the flash evaporation (point 3) is shifted upwards.
More thermal energy is converted than under basic operating conditions.
(Bsp.: Nutzung von Erdwärme als Wärmequelle und Kühlung durch Umgebungsluft im Sommer) Die Kondensationslinie von Punkt 5 zu Punkt 1 ist nach oben verschoben.
Die Entspannungskurve von Punkt 3 zu Punkt 5 ist verkürzt.
Es wird weniger Energie als unter Basis-Betriebsbedingungen umgesetzt.
(Example: use of geothermal energy as a heat source and cooling by ambient air in summer) The condensation line from
The relaxation curve from
Less energy is converted than under basic operating conditions.
(Bsp.: Nutzung von Solarthermie als Wärmequelle und Kühlung durch Umgebungsluft im Sommer)
Je nach Temperaturdifferenz zwischen den Punkten 2 und 3 wird mehr oder auch weniger thermische Energie als unter Basis-Betriebsbedingungen umgesetzt.
(Example: use of solar thermal energy as a heat source and cooling by ambient air in summer)
Depending on the temperature difference between
Ein weiterer wesentlicher Punkt ist die Gestaltung des umlaufenden Rohrsystems und der Kolben.Another important point is the design of the circumferential pipe system and the pistons.
Die Rohre zur Führung der Kolben sind mit einer gut gleitfähigen thermischen Innenisolation wie z.B. PTFE oder Polyamid (PA) versehen.The tubes for guiding the pistons are provided with a good sliding thermal internal insulation such as PTFE or polyamide (PA).
Die Kolben selber sind an den Dichtflächen mit einem zum Material der Innenisolation des Rohres passenden Dichtungs- und Gleitmaterial versehen, das sowohl eine Abdichtung der Bereiche als auch eine thermische Isolation gewährleistet.The pistons themselves are provided with a sealing and sliding material on the sealing surfaces that matches the material of the inner insulation of the tube, which ensures both sealing of the areas and thermal insulation.
Innerhalb eines Arbeitsbereiches kommt es durch den Kontakt des Arbeitsmittels mit der Rohrwand und dem Abstreifen des Arbeitsmittels durch den Kolben von der Rohrwand zu Verwirbelungen und einer intensiven Durchmischung des Arbeitsmittels. Das fördert die Verdampfung des Arbeitsmittels.Within a working area, the contact of the working fluid with the pipe wall and the piston scraping the working fluid off the pipe wall result in turbulence and intensive mixing of the working fluid. This promotes the evaporation of the working fluid.
Durch eine geeignete Gestaltung des Kolbens und der Kolbendichtung kann diese Verwirbelung zusätzlich gefördert werden.This turbulence can be further promoted by a suitable design of the piston and the piston seal.
Die Kolben weisen zudem vorzugsweise eine aufgeraute, poröse Oberfläche auf, die eine Blasenbildung beim Verdampfen des Arbeitsmittels fördert (vergleichbar der Wirkung von Siedesteinchen).The pistons also preferably have a roughened, porous surface, which promotes the formation of bubbles when the working medium evaporates (comparable to the effect of boiling stones).
Da aufgrund der erfindungsgemäßen Konstruktion an den Kolben nur sehr geringe Druckunterschiede von weniger als 0,001 MPa (0,01bar) auftreten (Druckunterschied = Kolbengewicht/Fläche), liegt die Hauptaufgabe der Kolbendichtung in einer Stützfunktion, um ein Kippen der Kolben im Rohrsystem zu verhindern. Dies ist durch ein geeignetes Kolbendesign möglich. Entsprechende Kolbendesigns sind dem Fachmann bekannt.Since the inventive design means that only very small pressure differences of less than 0.001 MPa (0.01 bar) occur on the pistons (pressure difference = piston weight/area), the main task of the piston seal is to provide a supporting function to prevent the pistons from tipping over in the pipe system. This is possible with a suitable piston design. Corresponding piston designs are known to those skilled in the art.
Unterstützend beim Kolbendesign ist der Rohrquerschnitt. Neben einem kreisförmigen Querschnitt weisen nicht kreisförmige Rohrquerschnitte (z.B. Ellipse oder Oval) Vorteile z.B. bei der Gestaltung der Einbringvorrichtung bzw. der Austrittsöffnungen und anderer Aufgaben auf.The tube cross-section is a supportive factor in the piston design. In addition to a circular cross-section, non-circular tube cross-sections (e.g. ellipse or oval) have advantages, for example, in the design of the insertion device or the outlet openings and other tasks.
Eine Ausführung des unteren und oberen Abschnittes des umlaufenden Rohrsystems als horizontale Zone mit konstantem Druck (Beispiele siehe
ProzessbeispieleProcess examples
Wie in Tabelle 1 exemplarisch aufgeführt, können mit dem Gesamtsystem 11 nach
Die aufgrund der Temperaturdifferenz thermodynamisch gegebene geringe Druckdifferenz von nur 0,033 MPa (0,33bar) zwischen dem maximalen Arbeitsdruck und dem Dampfverflüssigungsdruck im erfindungsgemäßen ersten Energiewandler 21 wird in eine technisch gut nutzbare Druckdifferenz von 0,25 MPa (2,5bar) für den zweiten Energiewandler 34 umgesetzt.The thermodynamically given low pressure difference of only 0.033 MPa (0.33 bar) between the maximum working pressure and the vapor condensation pressure in the
Vergleichbares ist mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht realisierbar.Something comparable cannot be achieved with state-of-the-art devices.
Der erfindungsgemäße Einsatz des weiterentwickelten Energiewandlers 22 nach
In Tabelle 2 ist exemplarisch ein Vergleich der Gesamtsysteme 11 (ohne Gewichtsmedium) und 12 (mit Gewichtsmedium) bei ansonsten gleichen Eingangsparametern dargestellt.Table 2 shows an example comparison of the overall systems 11 (without weight medium) and 12 (with weight medium) with otherwise identical input parameters.
Wie aus den Werten zu ersehen ist, ist bei Nutzung eines Gewichtsmediums (siehe
In Tabelle 3 sind beispielhaft die Arbeitsparameter eines Gesamtsystems 12 mit einem weiterentwickelten ersten Energiewandler 22 bei unterschiedlichen Arbeitstemperaturen aufgeführt.Table 3 shows examples of the operating parameters of an overall system 12 with a further developed first energy converter 22 at different operating temperatures.
Das dargestellte Temperaturszenario (Anstieg der maximalen Arbeitstemperatur von 40 auf 100 °C) entspricht dem Tagesverlauf eines Energiewandlers mit solarthermischer Wärmezufuhr und Verflüssigung des Arbeitsmitteldampfes durch Umgebungsluft bei steigender Umgebungstemperatur (Anstieg der Kondensationstemperatur von 20 auf 40°C).The temperature scenario shown (increase in the maximum operating temperature from 40 to 100 °C) corresponds to the daily course of an energy converter with solar thermal heat supply and liquefaction of the working medium vapor by ambient air with increasing ambient temperature (increase in the condensation temperature from 20 to 40 °C).
Deutlich ablesbar sind die sich verändernden Betriebsparameter in Abhängigkeit von der Änderung der maximalen Arbeitstemperatur und der Kondensationstemperatur. In der letzten Spalte ist beispielhaft der Einfluss der Kondensationstemperatur auf die erzielbare Leistung dargestellt.The changing operating parameters are clearly visible depending on the change in the maximum working temperature and the condensation temperature. The last column shows an example of the influence of the condensation temperature on the achievable performance.
Bei einer angenommenen Anzahl von einem neu zugeführten Arbeitsbereich je Sekunde entspricht die Zahl der eingesetzten Arbeitsbereiche der Anzahl an Sekunden, in der das Arbeitsmittel die Entspannungsverdampfungskurve vom thermodynamischen Punkt 3 zum Punkt 5 des TLC2-Prozesses durchläuft. Tabelle 1 Prozessbeispiel für die Umsetzung des TLC2-Prozesses in Gesamtsystem 11 bei einer Temperaturdifferenz von 10° zwischen Eingangs- und Kondensationstemperatur
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